石墨烯远红外电暖在蔬菜集约化育苗中的应用初探与前景分析

王建军 代 晋 沈维元 张瑞芳 付 玲 李成江 任怀富*

（1宿州市农业科学院，安徽宿州 234000；2宿州市埇桥区农业技术推广中心，安徽宿州 234000；3宿州新研石墨烯工贸有限公司，安徽宿州 234000）

由于当前严峻的能源形势和严厉的环保政策，调整能源结构、推广清洁能源的生产和使用势在必行，蔬菜集约化育苗增温设施的改进及推广迫在眉睫。石墨烯远红外电暖加温作为绿色环保的新能源，在蔬菜集约化育苗上应用既解决了育苗设施大量燃煤供暖对环境产生的污染问题，又解决了苗床温度稳定性问题，具有广阔的应用前景。

安徽省宿州市埇桥区是我国重要的瓜菜集约化嫁接育苗基地之一，年育苗量逾5亿株，可以提供早春、露地、秋延后等嫁接苗4～5批次，种苗远销全国20多个省、市、自治区。埇桥地区的育苗设施主要是节能日光温室、多层覆盖塑料大棚和少量现代化PC板连栋温室，年生产嫁接苗300万株以上的育苗单位和育苗大户有56家，育苗时间主要集中在12月底至翌年5月初，期间正遭遇淮北地区一年中最冷的12月至翌年1月，随后低温、阴雨、寡照天气也较多。因此，在做好育苗保温的同时，必须辅助人工增温。传统增温方式有燃煤水热、燃油风热和电热线（毯）、电热风等，由于高能耗、低安全、不环保、安装复杂、专业操作技术性强等问题，致使种苗成本较高，不利于规模化生产，也不符合我国低碳经济政策要求。因此，在充分利用太阳能等自然资源和合理加热方式的前提下，必须对苗床加温设备进行优选淘汰，尽可能降低设施、设备的一次性投入，降低运营成本，才能提高生产效益，提高种苗市场竞争力。

为彻底解决集约化育苗加温设备难题，寻找替代传统锅炉水暖、热风炉、电热线、燃气炉、燃油炉等加热设备，受石墨烯家庭电暖应用的启发，笔者选用石墨烯电暖新能源设备作为集约化育苗的加热设备进行试验。

1 石墨烯远红外电暖工作原理

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出来的单层碳原子材料，是由碳原子以sp2杂化方式紧密结合构成的二维六方单层结构（何新民 等，2018），石墨烯及其复合物广泛应用于锂离子电池、超级电容器、晶体管、电磁屏蔽等领域（庞思远和刘希喆，2018）。石墨烯有着超强的导热性和优异的电学性能，作为热电材料目前主要应用于地暖、暖画、理疗暖贴和发热服装等。石墨烯电热加温板使用的是一种通电后即能发热的石墨烯水性碳纳米材料，在电场作用下电热膜中的碳分子在电阻中产生声子、离子和电子，由碳分子团及导电金属之间的相互摩擦而产生热能，会辐射大量波长为8～14 μm的远红外线，能被生物体有效吸收（植物最适宜的远红外生命光线为6～14 μm）。石墨烯远红外电暖工程是一种基于石墨烯技术电发热板的开发应用，包括石墨烯电热加温板、温控装置、电路、电源等的集成安装，有效电热能总转换率达99%以上，发热性能稳定长久，与传统锅炉相比可节省30%～50%的能耗。

2 石墨烯远红外电暖应用于集约化育苗的效果

2.1 具体应用实例

为验证和评价石墨烯远红外电暖在集约化育苗中的实际应用效果，为进一步推广提供科学依据，2017年12月笔者在宿州市蔬乐园农业科技有限公司育苗基地进行安装试验示范（图1）。试验地位于安徽省宿州市埇桥区灰古镇，试验温室为PC板连栋温室，面积3 168 m2，内部四周用丝绵被保温。温室内有移动苗床59个，总面积2 171.7 m2，苗床上搭建小拱棚，4丝农膜覆盖，夜间加盖保温被。

图1 石墨烯远红外电暖安装和使用效果

试验采用地面式石墨烯电热板（宿州新研石墨烯工贸有限公司提供），产品额定功率330 W，规格（长×宽×厚）为300 cm×50 cm×6 cm，按苗床方向安装在苗床下面的横支撑上，电热板面积∶苗床面积为1∶4，电热板距离苗床底部约40 cm。配套安装石墨烯远红外电热板自动控制系统，每个移动苗床安装1个自动控温仪和控制开关，设定分时分区控制，温度区间可自动设置调控，温度经设定后可自动调节室内温度，达到恒温效果。

设定石墨烯电热板表面温度恒温45 ℃，预计在室外低温-2 ℃以下时室内温度可以达到10～35℃，苗床棚内温度控制在夜间15～25 ℃、白天25～35 ℃。以西瓜嫁接育苗为试材，对石墨烯远红外电暖在西瓜集约化育苗中的应用效果进行观测记录，包括温湿度、种苗生长状况等。

2.2 应用效果分析

2.2.1 增温效果 2017年12月26日13：00浸泡西瓜种子，15：00开启石墨烯远红外电暖系统对苗床提温；18：00苗床播种催芽，此时室外温度1 ℃，棚内苗床温度35 ℃，湿度80%；21：00～24：00，室外-1 ℃，苗床恒温25 ℃，湿度95%。随后的育苗阶段，宿州市连续遭遇寒冬低温、雨雪、寡照天气7天、大雾10天，温室外昼夜温度-10.6～9.1 ℃，历时28天。从记录结果看，在夜间室外温度-15～-2 ℃的情况下，室内温度整体可达到2～15 ℃，育苗床上小拱棚内温度可达16～26℃，正常维持在21 ℃，增温效果稳定。按需求预置恒温数据，以保证西瓜嫁接苗顺利越冬生长。

2.2.2 育苗效果 2017年12月26日接穗播种、12月31日砧木播种，2018年1月6日开始嫁接，至2月3日西瓜嫁接苗达到三叶一心的壮苗标准，历时38天。整个管理过程为苗床每隔1天补水1次，不施肥，没有病菌感染，苗壮叶旺，长势良好。通过石墨烯远红外电暖加温后，种子出苗率达到98%左右，嫁接苗成活率达到98%以上，与普通加热方法种苗80%左右的出苗率相比较提高10个百分点。应用石墨烯远红外电暖加热过程中，没有进行消毒、喷洒农药、施肥等工序，根壮苗旺，大大减少人工作业，降低生产成本。同时也缩短了种苗培育时间，石墨烯远红外电暖加温与其他加温方式相比，西瓜嫁接苗提前10～15天出圃，且长势良好。

2.3 成本分析

2.3.1 安装成本 2017年12月20日石墨烯远红外电暖系统安装调试完毕，成本包括电热板、智能温控仪及安装、调试费等，折计成电热板价格约合每片560.00元，共安装使用365片，投入20.44万元，折合单位造价为64.52元·m-2。该试验温室原安装燃煤锅炉供暖系统，包括2.5 t锅炉和配套的锅炉房、热水管道、管道热水泵、散热器（镀锌翘片管）、高温水阀等，投入24.12万元，折合单位造价为76.14元·m-2。石墨烯远红外电暖与燃煤锅炉水暖安装成本相当，没有进行变压器增容。

2.3.2 应用成本 石墨烯电热板单片额定功率330 W，实际工作功率270 W，本试验温室共安装365片，总功率约100 kW（365片×270 W），即每小时约耗电100 kW，按本次育苗经历的极端低温天气核算，整个苗期平均每天用电1 200 kW·h，若电价按0.56元·kW-1·h-1计算，日加温费用为672元。该试验温室原来燃煤锅炉日使用块状煤1 t，单价860元·t-1，锅炉工作人员每天工资120元，而且在夜间加温过程中，锅炉房、育苗温室需2人值班，监控锅炉安全及苗床温度变化，每天综合费用超过1 000元，费工费力不安全。

同步进行与电热线加温的比较试验，取相邻2个相同规格的苗床（1.8 m×17.5 m）分别安装4盘电热线（1 000 W）和4片石墨烯电热板（330 W，300 cm×50 cm×6 cm）。电热线预热时间为2 h，每小时耗电3.7 kW；石墨烯电热板升温迅速且均匀，每小时耗电1.3 kW。采用石墨烯远红外电暖，可节省能耗30%～50%。目前，试验基地以前采用的传统锅炉水暖、地热线等加温采暖方式，因效果不佳、能耗过高，已停用。

3 存在问题及应用前景分析

3.1 存在问题

石墨烯远红外电暖前期一次性投入相对较高，但是使用成本低、应用效果好、使用寿命长（电热板寿命50年，温控器寿命3～8年）。石墨烯远红外电暖在集约化育苗中初次应用，具体数据、参数还需要进一步试验总结，进而形成产品标准和安装、操作技术规程。

3.2 技术改进

在今后的应用中，石墨烯电热板使用面积与苗床面积比率可为1∶5～1∶4，并进一步运用智能化，采用可全触摸操控集成控制系统，通过恒温分时分区控制，如升级基于GPRS的远程访问功能，利用互联网对温控器进行远程控制和管理，支持长达180天的历史记录存储，可查询历史温度曲线和加热状态，分多区域控制在网，实现集约化育苗产业化精准作业。

3.3 应用前景

石墨烯电加热产品经3 750 V耐压测试，不存在漏电、触电的危险，防水等级高达IPX7标准，是通电后即能快速发热，达到设定温度的高科技绿色环保新能源材料；优点是能耗低，使用寿命长，安全性高，防水、防漏电，能够解决冬季燃煤、燃油、燃甲、乙醇、燃气等供暖污染的难题，且有净化空气的功能。该产品结构紧凑、占地面积小、热效率高，大大缩短了安装工期，电热转换率高达99.15%，热能利用率高，节能效果显著。石墨烯电热板通电后产生的8～14 μm远红外“生命光波”，容易被植物吸收并转化为内能，种苗无需进行定期消毒、喷洒农药和施肥等工序，大大减少病虫害防治次数，降低了生产成本，培育的种苗绿色环保。

综上，石墨烯远红外电暖加温系统一次性投入较高，但综合成本低，经济效益、社会效益及环境效益突出，可以在瓜菜类集约化育苗中推广应用。